磷酸铁锂电池电化学阻抗谱实验研究

电池技术制约着电动汽车的大规模推广和应用。磷酸铁锂（LiFePO4）由于其结构稳定和无毒廉价的优点被认为是动力电池最值得关注的正极材料。但在LiFePO4电池应用过程中，仍然存在很多以前理论难以解释的问题，而且电池SOC难以精确估计。通过对Li/LiFePO4半电池和C6/LiFePO4全电池在不同温度和SOC时电池电化学阻抗谱（EIS）的测试和分析，得到EIS不同参数随温度和SOC的变化规律。 目前国内外研究者使用EIS方法研究电池主要是从内部电化学机理和电池外部环境改变对电池EIS的影响两个方面进行研究。电化学机理的揭示主要是通过研究不同正极材料的半电池EIS随电极电位的变化，全电池的EIS随外部环境改变的研究对电池的实际应用又非常必要。因此本文的研究对象为确定为半电池和全电池的综合研究，半电池研究可以得到LiFePO4单电极对全电池EIS的贡献。 通过对不同参数下电池EIS的预测试，得到了最适用于测量LiFePO4电池EIS的参数设置方法。 等效电路模型是分析EIS最有效的方法，不同的电池体系其等效电路模型的选取不尽相同，根据电池反应过程中的电化学机理与测量得到的EIS，分别为半电池和全电池选择了其适用的等效电路模型，对等效电路模型各参数的电化学含义进行了解释，并对模型参数辨识。 电化学反应的各个步骤随温度和SOC的变化不同，而各个步骤的反应对EIS各参数的影响也不同，因此对EIS参数欧姆内阻、SEI内阻和电荷转移内阻进行了分析。结果表明，半电池和全电池的欧姆内阻都随温度的升高单调减小，半电池的欧姆内阻在各个SOC时基本保持不变。半电池的电荷转移内阻随着温度的升高逐渐减小，随着SOC的增大，电荷转移内阻基本呈现单调减小的趋势；全电池的电荷转移内阻随温度的升高逐渐减小。根据前人的研究结果综合分析了石墨和LiFePO4两电极分别对全电池EIS的贡献。根据Arrhenius关系计算了半电池和全电池电荷转移过程和锂离子扩散通过SEI的活化能。通过计算全电池在0.01Hz时阻抗的幅值随着SOC的变化规律，认为这个参数可以作为电池SOC估计的参数，通过找出全电池由电荷转移过程向扩散过程过渡处的频率变化值，认为可以用温度和这个频率之间的函数关系来估计电池的内部温度。